20年！從芯片貿(mào)易到自主研發(fā)，窺視國產(chǎn)傳感器如何困境突圍？（多項領(lǐng)先）

隨著中國半導體及傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以及中國經(jīng)濟的升級和轉(zhuǎn)型，在過去10年，傳感器及半導體產(chǎn)業(yè)，有大量的貿(mào)易型企業(yè)，向自主研發(fā)轉(zhuǎn)型，通過擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器芯片等高附加值、高技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)，向產(chǎn)業(yè)鏈上游進軍，書寫中國智造傳奇。

圍繞傳感器及信號鏈，中國誕生了許多優(yōu)秀的IC芯片設(shè)計企業(yè)。目前中國傳感器芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？國產(chǎn)傳感器芯片企業(yè)面臨哪些困境？在傳感器IC上中國企業(yè)取得了哪些突破？國產(chǎn)傳感器與國際大廠傳感器差距在哪里？此前，在Sensor Shenzhen 2024上，記者采訪了國產(chǎn)傳感器IC設(shè)計公司——深圳市茂捷半導體有限公司（下文簡稱“茂捷半導體”）總經(jīng)理：王健，我們將從這家國產(chǎn)企業(yè)身上窺視中國傳感器產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級大發(fā)展。

專家檔案

20年！從芯片貿(mào)易到自主研發(fā)，見證中國產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型發(fā)展，多項傳感器芯片技術(shù)全球領(lǐng)先獲國家專利！

縱觀中國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多今日鼎鼎大名的芯片企業(yè)，均起家于電子器件、芯片貿(mào)易等代理業(yè)務，這些企業(yè)大部分在2000年左右成立，這與中國經(jīng)濟、科技發(fā)展的時代洪流息息相關(guān)。

譬如我國最大的傳感器企業(yè)、CMOS圖像傳感器公司韋爾股份，前身是成立于1998年的北京華清興昌科貿(mào)有限公司——以電子元器件分銷為主要業(yè)務，2007年華清興昌創(chuàng)始人虞仁榮才在上海成立半導體元器件設(shè)計公司——韋爾股份，最終韋爾股份在2019年收購豪威科技，一舉進入全球CMOS圖像傳感器廠商前列，虞仁榮也成為中國芯片首富。

茂捷半導體也是如此，據(jù)王健介紹，茂捷半導體最早成立于2004年，以芯片貿(mào)易為主要業(yè)務。隨著業(yè)務的深入，為了有更好的企業(yè)發(fā)展空間，同時適應國家經(jīng)濟高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的時代要求，2013年，在王健帶領(lǐng)下，茂捷半導體開始進行芯片研發(fā)，轉(zhuǎn)型為一家Fabless芯片設(shè)計企業(yè)。目前，芯片貿(mào)易與IC設(shè)計，是茂捷半導體兩大業(yè)務板塊。

茂捷半導體的IC設(shè)計主要為純模擬電路和數(shù)?；旌?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E9%9B%86%E6%88%90%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%AE%BE%E8%AE%A1/">集成電路設(shè)計，產(chǎn)品為傳感器驅(qū)動IC、光電傳感器IC、電感式傳感器IC、感式編碼器IC、AC-DC等芯片產(chǎn)品，提供傳感器、信號鏈、電源管理等豐富的半導體產(chǎn)品及解決方案，并被廣泛應用于工業(yè)自動化傳感器、信息通訊及電源等消費電子領(lǐng)域。

據(jù)王健介紹，茂捷半導體在工業(yè)自動化領(lǐng)域的專用傳感器芯片已經(jīng)深耕多年，對于感式測距、光電測距、感式測角、測距算法、高壓可靠性等業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的話題鉆研較深，申請了多項相關(guān)發(fā)明專利。

其中，王健特別介紹了三種主要的專利技術(shù)產(chǎn)品，我們從中可以看到國產(chǎn)傳感器芯片企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)劃策略和在技術(shù)突破上做出的努力。

一、行業(yè)首創(chuàng)：自動識別PNP型/NPN型負載輸出的光電感應開關(guān)芯片

在工業(yè)自動化設(shè)備和流水線自動化檢測中，各種接近式傳感器十分常見，主要為了在不進行物理接觸的情況下，感知物體或人體的存在或位置，以避免約束或限制所感知物體的移動——這對流水線運轉(zhuǎn)和安全至關(guān)重要。

接近式傳感器包括電感式接近開關(guān)、安全防爆式接近開關(guān)、電感模擬量輸出接近開關(guān)、磁感應接近開關(guān)、電容式接近開關(guān)等。無論哪種模式的接近式傳感器，一般包括三個部分，一是接收或者產(chǎn)生感應信號部分的供電部分；二是識別處理的主電路部分；三是作為開關(guān)作用打開或者關(guān)閉的受控開關(guān)器件部分。

一般來說，根據(jù)受控開關(guān)器件的方式不同，可以分為NPN型接近開關(guān)和PNP型接近開關(guān)，目前的應用方案必須在了解負載類型的基礎(chǔ)上，針對性的采用對應的驅(qū)動結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)，否則無法正常驅(qū)動工作。比如NPN型的負載結(jié)構(gòu)，對應的接近式開關(guān)驅(qū)動電路必須是NPN型的驅(qū)動電路，PNP型的負載結(jié)構(gòu)，對應的接近式開關(guān)驅(qū)動電路必須是PNP型的驅(qū)動電路，無法實現(xiàn)同一種電路可以兼容驅(qū)動兩種結(jié)構(gòu)的負載。

下圖為NPN型和PNP型兩種接近開關(guān)的接線圖示意：

王健敏銳地意識到傳統(tǒng)接近式傳感器在這方面的局限，于是帶領(lǐng)團隊研發(fā)出能夠自動識別PNP型/NPN型負載輸出的光電感應開關(guān)芯片——同時支持PNP和NPN兩種接近式傳感器信號輸出，這讓下游傳感器客戶的使用更為方便，通過開辟這一細分市場，茂捷半導體獲得了豐厚的訂單。

“通過我們的專用芯片自動去識別，這樣幫助生產(chǎn)廠商減少備貨，減少庫存，也幫助客戶減少選擇，他們用起來會更方便，這是我們的一個優(yōu)勢。”

二、全球領(lǐng)先：接近傳感器溫度補償算法

接近傳感器在工作時的溫度變化會導致傳感器的電子元件和材料的性能發(fā)生變化，從而影響傳感器的靈敏度及檢測結(jié)果的準確性。

在如工業(yè)自動化和機器人領(lǐng)域的應用中，傳感器的穩(wěn)定性對于準確感知目標物體的位置和距離非常重要。而通過溫度補償，可以提高傳感器的穩(wěn)定性，減少由于溫度變化引起的誤差。

目前接近傳感器常用的補償方式為采用模擬電路進行補償，這種方式無法在成品級進行溫度漂移補償，當工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時其動作距離較常溫下會發(fā)生較大的變化，導致準確性無法得到保證,還會增加系統(tǒng)成本。

此外，還有相關(guān)芯片使用數(shù)字溫度補償?shù)姆绞?，其補償過程步驟繁瑣，且存在一致性較差的問題，生產(chǎn)效率低。

因此，茂捷半導體研發(fā)出研發(fā)出一種接近傳感器溫度自動調(diào)節(jié)方法，不僅節(jié)約了成本，同時適用范圍更廣、補償精度高，彌補了振蕩電路電壓隨溫度變化的缺陷，有效提高了接近傳感器在各溫度下測試距離的一致性，增加了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。

王捷認為該接近傳感器溫度補償算法全球領(lǐng)先的，且傳感器精度和性能比歐美大廠都要好：

“我們里面有一個溫度補償?shù)囊粋€算法。我們的這個算法目前是全球領(lǐng)先的，整個我們產(chǎn)品方案做出來的精度的話，會比目前歐洲的這些大廠做的性能會更好，這個是我們覺得比較驕傲的?！?/p>

三、國內(nèi)領(lǐng)先：光電傳感器同頻光干擾算法

光電傳感器在日常應用中，一個影響傳感器靈敏度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在于周圍環(huán)境中各種光在漫反射過程中產(chǎn)生的干擾，其中以同頻光干擾最為嚴重。

處理同頻光干擾，能有效減弱環(huán)境光、太陽光以及其它可能的觸發(fā)接收感應的光干擾，減少應用中誤動作的出現(xiàn)概率，對光電傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用至關(guān)重要。

因此，茂捷半導體研發(fā)了一套光電傳感器同頻光干擾算法，據(jù)王健介紹，該算法處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際頂尖的水平：

“同頻光的這個干擾，國內(nèi)目前處理的話是比較困難的，沒有一家企業(yè)能很好的可以把這個問題解決。在這一塊，我們自己研發(fā)了一套算法，可以很好的去把這個同頻光的干擾濾掉。在國內(nèi)來講是屬于比較領(lǐng)先的，無論是國內(nèi)來講還是國際上來講，這個算法都是比較頂尖的。”

此外，王健也強調(diào)，茂捷定義的芯片產(chǎn)品雖然在性能上對標國外友商，但是不對友商的產(chǎn)品做pin-to-pin兼容，而是有自己特有的應用方案。并且在眾多下游客戶的支持下，新增了不少特色功能。通過特有方案+特色功能的策略，茂捷半導體有效提升了客戶對于公司產(chǎn)品的粘性。

差距10年！為什么中國傳感器與國際領(lǐng)先水平差距大？

茂捷半導體在國產(chǎn)工業(yè)傳感器領(lǐng)域耕耘多年，作為我國工業(yè)傳感器企業(yè)中流砥柱中的一員，茂捷半導體對國產(chǎn)傳感器與國際先進水平的差距和優(yōu)劣勢，有著自己的看法，在這里，我們也可以窺視國產(chǎn)傳感器企業(yè)在面對國際廠商競爭中的發(fā)展戰(zhàn)略思考。

王健認為，目前中國國內(nèi)在傳感器核心芯片上的研發(fā)比較落后，從其所屬工業(yè)傳感器細分領(lǐng)域來看，整體上大概有5到10年左右的差距。國產(chǎn)的工業(yè)傳感器研發(fā)生產(chǎn)主要集中在中低端產(chǎn)品，相對于國外的產(chǎn)品售價低，品質(zhì)性能相對較差，中國傳感器廠商所占的份額也比較低。

那么，在工業(yè)傳感器領(lǐng)域，什么原因造成國內(nèi)外差距較大呢？

王健稱，主要有三方面的原因：

1、歐美日在全球搞工業(yè)自動化，積累了大量的應用經(jīng)驗

2、基于具體應用的需求，研發(fā)每家專用的傳感器方案芯片

3、參數(shù)指標冗余度高。

王健舉例了工業(yè)傳感器龍頭企業(yè)德國Sick、日本松下、歐姆龍等企業(yè)的情況：

“它們公司內(nèi)部都有專門的芯片研發(fā)部門，所有的核心芯片都是自研自銷，自研以后自己用的，不對外進行銷售的。而國內(nèi)的廠商基本上都是用分離器件去搭的傳感器電路，他們的這種國際大廠的集成度就非常高，集成度高，采用的元器件少，那么它的可靠性就上去了。國內(nèi)的用各種元器件去搭的電路，它的性能因為它沒有采用專用的方案，性能肯定會弱一些，可靠性也會弱一些。這個就是目前國內(nèi)廠商和國際廠商的，存在比較大品質(zhì)上的差距的根本原因之一。”

隨著近年來國家對MEMS智能傳感器及半導體產(chǎn)業(yè)的重視，我國許多企業(yè)如茂捷半導體等，正在縮小這個差距，更多更優(yōu)的傳感器芯片方案，幫助中國工業(yè)傳感器廠商趕超國際水平。

困境突圍！面對國內(nèi)外競爭，工業(yè)傳感器如何提高可靠性？如何提高競爭力？如何滿足客戶需求？

在傳感器領(lǐng)域，國產(chǎn)傳感器產(chǎn)品在國際廠商面前，往往處于劣勢，尤其是對傳感器可靠性、穩(wěn)定性要求較高的工業(yè)、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域，更是如此。

在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線的可靠勝過一切。譬如，一條汽車生產(chǎn)線啟動，停工1分鐘就相當于損失1輛車，停產(chǎn)超過半小時，無異于一次重大事故。

過往，國產(chǎn)傳感器的穩(wěn)定性、可靠性較差，在工業(yè)生產(chǎn)中往往得不到甲方的認可，即使國外傳感器貴上10倍、用戶支持周期漫長，為了穩(wěn)定性考慮，許多工廠選擇將國產(chǎn)傳感器拒之門外。

作為國產(chǎn)工業(yè)傳感器芯片廠商，茂捷半導體在開拓國內(nèi)工業(yè)傳感器市場的過程中，也歷盡艱辛，那么其怎么保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性？

王健介紹，茂捷半導體主要通過三方面控制其傳感器芯片產(chǎn)品的質(zhì)量：

1、工業(yè)級、車規(guī)級芯片設(shè)計工藝，茂捷半導體所有芯片采用工業(yè)級和車規(guī)級的晶圓設(shè)計工藝，保證芯片從一開始就滿足工業(yè)、車規(guī)的相關(guān)要求。

2、傳感器芯片性能指標冗余度高，在產(chǎn)品設(shè)計中，通過高余量的參數(shù)設(shè)計，保證后期使用中芯片指標符合要求。

3、測試標準全覆蓋，在產(chǎn)品測試中，茂捷半導體通過結(jié)合國際、國內(nèi)廠商的測試標準，并跟進終端用戶的最新需求標準，整理出獨有的、嚴格的產(chǎn)品測試體系，保證產(chǎn)品全面覆蓋用戶的各種工況需求。

在面對國外企業(yè)的競爭中，國產(chǎn)傳感器廠商天然地處于弱勢地位，因此除了保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性外，國產(chǎn)傳感器需要在產(chǎn)品特色、性能上，也需要極具競爭力，才能取得認可。

在這方面，王健認為茂捷半導體相比其他傳感器廠商，確保了三方面的優(yōu)勢，這也值得許多國產(chǎn)傳感器企業(yè)學習。

首先，茂捷半導體研發(fā)的芯片相對于國內(nèi)外的方案集成度更高，外圍所需元器件會更少。通過高集成度的芯片方案，客戶的生產(chǎn)難度將大幅降低，最終產(chǎn)品的可靠性得到較大的提升，王健稱“這樣子下來的話，我們的這個產(chǎn)品和國際廠商相比較，它的競爭力就上去了。這個是我們目前，我認為是對整個行業(yè)最大的一個貢獻。”

其次，對各種技術(shù)方案的創(chuàng)新改進。王健認為，國內(nèi)企業(yè)有后發(fā)優(yōu)勢，茂捷半導體在研發(fā)上，基于市面上現(xiàn)有傳感器芯片方案的優(yōu)缺點，進行了許多改進，譬如上文中提及的自動識別PNP型/NPN型負載輸出的光電感應開關(guān)芯片，有效解決許多傳感器客戶的選型痛點。

第三，參數(shù)指標設(shè)計的高冗余。無論任何時候，參數(shù)指標是一個傳感器最基礎(chǔ)的競爭力，在工業(yè)自動化的高速發(fā)展中，對傳感器提出了更多更高的要求，為了適應新的應用，確保傳感器不那么快被時代淘汰，在設(shè)計之初傳感器的參數(shù)指標就要留有較高的冗余度。

從確保傳感器芯片的可靠性、穩(wěn)定性，到打造傳感器產(chǎn)品的優(yōu)勢和特有競爭力，茂捷半導體不斷鞏固自身的競爭優(yōu)勢。

然而，在高度競爭、充滿內(nèi)卷的市場中，光產(chǎn)品實力還不行，還需要比拼服務——這也側(cè)面折射出廣大國產(chǎn)傳感器企業(yè)的艱辛。

在此前對多家國際傳感器企業(yè)的專訪中，頻頻提及國產(chǎn)傳感器企業(yè)在快速響應上，具有國際企業(yè)無法比擬的優(yōu)勢。

王健也強調(diào)，快速響應和快速服務，是茂捷半導體贏得客戶的一個關(guān)鍵原因之一，這基于其積累的、豐富的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的IP。

在這里，王健舉了一個令人印象深刻的例子：

“當我們的客戶有新的需求的時候，我們會快速的響應，用最短的時間可以整合出我們客戶想要的產(chǎn)品。比如說昨天我們在展會上，就有客戶上門來，希望我們?nèi)ザㄖ埔豢钚酒?，因為目前他所要的這個功能的芯片只有一家歐洲廠商有做，國內(nèi)這邊是完全沒有的。但是這個需求對我們來講的話，沒有任何的難度。原因很簡單，因為我們主要的IP都已經(jīng)積累出來了。那么我們開發(fā)的這個速度就會非?？?，能夠靈活的滿足我們的客戶的需求?！?/p>

芯片IP，在集成電路設(shè)計中，指經(jīng)過驗證的、可重復使用且具備特定功能的集成電路模塊，通過成熟穩(wěn)定的IP模塊設(shè)計，能夠快速輸出芯片解決方案。這就像西裝定制，通過積累大量的版型、衣袖、衣身、褲腿等模塊，針對不同身材的客戶都能快速經(jīng)濟的給出適配的方案。

“我們公司的芯片產(chǎn)品并非單個單個的進行設(shè)計，而是在一開始就同時考慮光感式、光電、高壓等芯片產(chǎn)品的普遍共性問題，既定義了芯片產(chǎn)品也定義了功能IP模塊。有了這些模塊才能滿足不同客戶需求?；谖覀冮L時間的IP研發(fā)積累，基本能滿足客戶個性的定制需求?！?/p>

全球唯一全門類工業(yè)體系國家！中國為國產(chǎn)工業(yè)傳感器企業(yè)提供發(fā)展沃土

據(jù)聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織的統(tǒng)計顯示，中國是世界上唯一一個擁有全門類工業(yè)體系的國家！工業(yè)門類分為39個大類，191個中類，525個小類，中國是世界上唯一一個擁有全門類、獨立、完整工業(yè)體系的國家。

中國龐大的工業(yè)體系基礎(chǔ)，也為國產(chǎn)傳感器企業(yè)提供了發(fā)展的沃土，這是其他國家所沒有的優(yōu)勢。

“中國的制造業(yè)在全球占比很高，“世界工廠”的名頭實至名歸，天然就對工業(yè)自動化有大量需求。本土自動化廠商更貼近制造業(yè)客戶，更熟悉和理解他們的煩惱，更能及時響應他們的召喚。其次，在招工難、招工貴的今天，采用更多自動化設(shè)備降本增效也是眾多制造業(yè)廠商客觀的、迫切的需求。三是國內(nèi)大力倡導的“工業(yè)4.0”包含智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流等三大方面，這三方面都離不開工業(yè)自動化。

基于以上理由，我們認為國內(nèi)制造業(yè)和工業(yè)自動化專業(yè)廠商都將迎來大發(fā)展，制造業(yè)大國終將成為制造業(yè)強國。”

結(jié)語

從芯片貿(mào)易到自主研發(fā)，是包括傳感器在內(nèi)的許多中國高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，通過貿(mào)易積累資本，通過資金進行技術(shù)研發(fā)，這也是時代大勢的必然。

從技術(shù)的創(chuàng)新突破、產(chǎn)品質(zhì)量的控制到IP的積累，在茂捷半導體身上，我們能看到許多國產(chǎn)傳感器企業(yè)銳意進取的身影。

雖然目前中國傳感器產(chǎn)業(yè)仍然落后，但在這片全球僅有的工業(yè)沃土上，在許多國產(chǎn)傳感器企業(yè)的共同努力下，國產(chǎn)傳感器未來可期！